نقش ترانسپوزون‌ها در پروکاریوت‌ها

مقدمه‌ای بر ترانسپوزون‌ها .از ۱۹۳۰ میلادی، مطالعات ژنتیکی به‌صورت مستقل توسط باربارا مک‌کلینتوک  و مارکوس روداس  روی گیاه ذرت انجام گرفت. نتایج این مطالعات آشفتگی زیادی در مورد ژن‌های ساکن در جایگاه‌های ثابت درکروموزم‌های اصلی به همراه داشت. گزارش‌های این دو دانشمند نشان می‌داد که عناصر ژنتیکی بر روی کروموزوم اصلی وجود دارند که می‌توانند از یک موقعیت به موقعیت دیگری نقل‌مکان کنند. هرچند این یافته‌ها تا سال‌ها مورد شک و تردید قرار داشت، اما در حال حاضر روشن است که چنین عناصری همواره در طبیعت وجود داشته‌اند. امروزه می‌دانیم که کروموزوم‌های پروکاریوتی، ویروس‌ها و ژنوم یوکاریوتی حاوی قطعاتی از DNA هستند که می‌توانند حرکت کرده و به مکان‌های متفاوتی از همان کروموزوم و یا کروموزوم دیگری مهاجرت کنند. این حرکت، جابجایی (ترانسپوزیشن ) خوانده می‌شود و نقش مهمی در تولید ترکیبات جدید ژنی بازی می‌کند.
قطعات DNA که ژن‌های موردنیاز برای جابجایی را حمل می‌کنند عناصر قابل‌انتقال یا ترانسپوزون هستند و برخی اوقات “ژن‌های جهش دهنده” نامیده می‌شوند، اما نام‌های بسیاری (که بعضی برای توصیف عمل آنهاست) بر این عناصر ژنتیکی نهاده‌اند، مانند عناصر کنترل‌کننده، cassettes، ژن‌های پرشی ، ژن‌های سیار ، ژن‌های همراه، عناصر ژنتیکی همراه  و ترانسپوزون‌ها. ما اصطلاح “عناصر ژنتیکی قابل جابجایی” را که به‌طور رسمی درست و شامل تمام اعضای خانواده است را انتخاب می‌کنیم. اصطلاح جابجایی (ترانسپوزیشن) به‌طور مدید در علم ژنتیک مورداستفاده قرار گرفته است و مشخصاً برای انتقال بخشی از کروموزوم از یک موقعیت به موقعیت دیگر و بازآرایی ساختار آن به کار می‌رود.
قطعات DNA که ژن‌های موردنیاز برای جابجایی را حمل می‌کنند عناصر قابل‌انتقال یا ترانسپوزون هستند و برخی اوقات ژن‌های جهش‌دهنده نامیده می‌شوند. الحاق این عناصر ژنتیکی نه‌تنها عملکرد ژن در منطقه‌ای که در آن قرار می‌گیرد را از بین می‌برد، بلکه می‌تواند عملکرد دوگانه داشته باشد یعنی روی بیان ژن پایین‌دست اثر بگذارد؛ در حقیقت ترانسپوزون‌ها مانند موتاژن‌ها عمل می‌کنند. در حال حاضر یک قطعه کوچک ژنی یا تعداد کمی از آن‌ها که ارتباط خاصی در عملکرد با قابلیت جابجایی دارند در این خانواده قرار می‌گیرد.
جابجایی این قطعات می‌تواند روی همان کروموزوم و یا بر روی یک کروموزوم جدید باشد. قوانین و ارتباطاتی که این موضوع را سبب می‌شود در دست مطالعه است. این قطعات فقط از لحاظ ژنتیکی و فیزیکی شناسایی شده‌اند. بررسی ایجاد ناهنجاری در فعالیت و ساختارهای ژن که در محل ورود این قطعات قرار دارد، از راه‌های شناسایی ژنتیکی آنهاست. متدهایی از قبیل تعیین توالی رشته‌های الگو نیز مورد کاوش قرار گرفته‌اند که از روش‌های فیزیکی محسوب می‌شوند. نتایج نشان داده است که این عناصر جابجاشونده در اکثر موجودات زنده روی کره زمین وجود دارند.
امروزه این عناصر کلیدهای ژنتیکی ارزشمندی در پروکاریو‌ت‌ها و یوکاریوت‌ها محسوب می‌شوند. با استفاده از این عناصر، نقشه‌برداری ژنتیکی، ایجاد جهش، کلون‌سازی ژن‌ها و حتی تولید موجود تراریخته زنده با سهولت بیشتری صورت می‌گیرد.
باربارا مک کلینتوک
شکل ۱) باربارا مک کلینتوک – دریافت جایزه نوبل در ۱۹۸۵ جهت توضیح رنگارنگی دانه‌های ذرت و کشف ترانسپوزون‌ها

توالی‌های الحاق‌شونده در باکتری‌ها
توالی‌های الحاقی (IS)  در حال حاضر به خوبی شناخته شده‌اند؛ آن‌ها بخشی از DNA باکتریایی هستند که می‌توانند از موقعیتی به موقعیت دیگری بر روی یک کروموزم و یا یک محل جدید انتقال یابند. الحاق آن‌ها نه‌تنها عملکرد ژن در منطقه‌ای که در آن قرار می‌گیرند را از بین می‌برد، بلکه می‌تواند عملکرد دوگانه داشته باشد؛ یعنی روی بیان ژن پایین‌دست اثر بگذارد. در حقیقت ترانسپوزون‌ها مانند موتاژن‌ها عمل می‌کنند. اگر آن‌ها به وسط یک ژن منتقل شوند، کد قطعه ژنتیکی را بی‌معنی و حتی از بیان آن جلوگیری می‌کنند. آن‌ها هم‌چنین با در نظر گرفتن طولشان می‌توانند حاوی کدهای پایان ترجمه و رونویسی باشند و از بیان سایر ژن‌ها در اپرون (اگر در پایین‌دست باشند) جلوگیری کنند. ISها اولین بار در اپرون gal باکتری E. coli که مجموعه سه ژنی و مسئول متابولیسم قسمتی از قند گالاکتوز است، شناسایی شدند.
ترانسپوزون‌ها برخی اوقات از رپلیکونی که در آن الحاق شده‌اند خارج می‌شوند، اما احتمال خروج کمتر از الحاق است. ترانسپوزون‌ها می‌توانند حرکت کرده روی مکان دیگری از همان کروموزوم یا کروموزوم متفاوت بنشینند. آن‌ها همچنین می‌توانند سازماندهی مجدد کروموزوم را ایجاد کنند.
بررسی فیزیکی DNA الحاقی
برای اثبات وجود DNA الحاقی، یک آزمایش برای بررسی فیزیکی توالی الحاق‌شونده در نظر گرفته‌ایم؛ فاژ λ در کنار اپرون gal قرار می‌گیرد و آن یک راه ساده برای به دست آوردن ذرات فاژ λdgal  است که منطقه gal را انتخاب کرده‌اند. وقتی قطعات IS در gal در داخل λdgal جای می‌گیرند، طول کلی برخی از λdgal در کل محلول تغییر می‌کند، در نتیجه وقتی کل محلول در یک ستون شیب چگالی سزیم کلراید شناور می‌شود، گرادیان IS فاژهای λdgal با نرمال قابل‌مقایسه می‌گردد (شکل ۲). این مولکولی DNA است که قطعات IS را حمل می‌کند و بلندتر از DNA نوع معمولی است. آزمایش به‌طور واقع اثبات می‌کند که موتاسیون‌ها به‌وسیله درج مقدار عمده‌ای DNA در داخل اپرون gal ایجاد شده‌اند.

۲
شکل ۲) ایجاد جهش توسط DNA الحاقی به‌وسیله فاژ λ در اپرون gal، سپس سانتریفیوژ محصول در سدیم کلرید سزیوم، ذرات جهش‌یافته چگال‌تر شده‌اند. ازآنجاکه ذرات ویروس همه به همان اندازه هستند، افزایش چگالی نشان‌دهنده مولکول DNA بزرگ‌تر است که با جهش و افزوده شدن قطعهDNA  الحاقی بوجود آمده است.

تشخیص ISهای مجزا
آزمایش‌های هیبریداسیون نشان می‌دهد که موتاسیون‌های الحاقی بسیار مختلفی به‌وسیله مجموعه کوچکی از سکانس‌های الحاقی ایجاد می‌شوند. بر اساس طرح‌های هیبریداسیون متقاطع (Cross Hybridization)، موتانت‌های الحاقی در گروه‌هایی متفاوت قرار داده می‌شوند. اولین سکانس این گروه با ۸۰۰ جفت باز در اپرون gal شناسایی شد و IS1 خوانده شد.
دومین سکانس IS2 نامیده شد و طول آن ۱۳۵۰bp است. ما می‌دانیم که ژنوم استاندارد E. coli غنی از قطعات IS است که شامل ۸ کپی از IS1 و کپی‌های دیگر از انواع IS می‌شود. باید تأکید کرد که پیدا شدن ناگهانی سکانس‌های الحاقی در هر لوکوس مشخص به این معنا است که این عناصر متحرک با قابلیت ترانسپوزیشن (جابجایی) در داخل ژنوم هستند. تغییرات تنها وقتی که در داخل یک موقعیت غیرطبیعی قرار می‌گیرند (مثل یک ژن ساختاری) یا بعضی تغییرات قابل‌تشخیص در عملکرد، قابل ‌مشاهده هستند.

جهت‌یابی (گرایش) قطعات IS
قطعات IS در بهم‌ریختگی نسبی، نظم و یا آرایش وقایع مولکولی ژنومی که در آن زندگی می‌کنند، شرکت می‌کنند که مهم‌ترین تغییرات ناشی از وجود آن‌ها شامل موارد ذیل است:
۱- ترانسپوزیشن: حرکت IS و الحاق آن در مکان دیگر در همان DNA یا مولکول DNA دیگر در سلول
۲- غیرفعال‌سازی الحاقی: الحاق یک IS در داخل یک سکانس کدکننده که باعث از دست رفتن عملکرد آن ژن می‌شود (Null Mutation).
۳- نوترکیبی همولوگ: سبب حذف، وارونگی یا ترکیب مولکول‌های DNA می‌شود.

ترانسپوزون‌های پروکاریوتی
در سال ۱۹۵۰ میلادی یک توانایی بسیار جالب و دردسرساز در بیمارستان‌های ژاپن در هنگام اپیدمی شیگلوز (اسهال خونی) کشف شد. این بیماری که عامل آن باکتری‌های جنس شیگلا هستند در طی این اپیدمی طیف وسیعی از مقاومت با سرعت بالایی نشان می‌دادند. مطالعات نشان می‌داد که این باکتری‌ها در ابتدای درمان به‌صورت وسیع‌الطیف مقاوم نبوده‌اند، اما اکنون به آنتی‌بیوتیک‌هایی مثل پنی‌سیلین، تتراسایکلین، سولفونامید، استرپتومایسین و کلرامفنیکل مقاومت نشان می‌دهند. محققان ژاپنی متوجه شدند که مقاومت به چندین دارو به‌صورت یک بسته واحد ژنتیکی از یک باکتری به باکتری دیگر به ارث می‌رسد. این مقاومت نسبت به چند آنتی‌بیوتیک نه‌تنها می‌توانست از یک باکتری به باکتری از همان جنس دیگر منتقل شود، بلکه قادر بود تا به‌صورت عرضی جنس‌ها و گونه‌های دیگر را نیز در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها مقاوم سازد. این استعداد برای باکتری‌های بیماری‌زا فوق‌العاده و برای پزشکان درگیر وحشتناک بود. از دیدگاه متخصصین ژنتیک این موضوع بسیار جذاب و قابل‌بررسی می‌نمود. مشاهدات نشان داد که حامل حمل‌کننده این مقاومت از سلول به سلول دیگر حرکت کرده و به‌صورت مستقل خود همانندسازی می‌کند؛ شبیه چیزی که در مورد فاکتورF  می‌دانیم. عوامل این مقاومت به‌سرعت از سلول به سلول دیگر انتقال یافته و شبیه فاکتور  F در اشریشیا کلی هستند. در واقع هم این عوامل که برای اولین بار کشف شدند، بسیار شبیه فاکتور F بودند. این عناصر در جایگاه پلاسمیدی باکتری‌ها در سیتوپلاسم قرار داشتند و می‌توانستند دسته‌های مختلفی از ژن‌ها را حمل کنند.
عناصر متحرک DNA ضرورتاً انگل‌های مولکولی هستند که به ظاهر هیچ عملکردی در زیستایی ارگانیسم‌های میزبان خود ندارند و تنها برای بقای خود وجود دارند به همین دلیل آن‌ها را به‌عنوان DNA خودخواه نیز یاد می‌کنند. انباشت آهسته‌ی این عناصر در ژنوم‌های یوکاریوتی طی زمان تکاملی از ترانسپوزیشن آن‌ها ناشی می‌شود، همچنین این عناصر با سرعت بسیار کند به‌وسیله حذف قطعات DNA حاوی آن‌ها و یا جمع شدن جهش‌ها ناپدید می‌شوند به همین دلیل عناصر متحرک بسیار آهسته از ژنوم یوکاریوتی حذف می‌شوند و اکنون به جایگاهی رسیده‌اند که قسمت عمده و مهمی از ژنوم بسیاری از یوکاریوت‌ها را تشکیل می‌دهند.
پس یکی از مشخص‌ترین پیامدهای ترانسپوزیشن، زیان‌آور بودن آنهاست خصوصاً وقتی که الحاق در داخل ژن‌های ضروری اتفاق می‌افتد. سؤالی که اینجا ایجاد می‌شود این است که نگهداری آن‌ها در ژنوم باکتری‌ها در طی تکامل برای چیست؟
اگر عوامل IS اغلب زیان‌آور بودند از ژنوم باکتری در طولانی‌مدت حذف می‌شدند، مگر این‌که به‌وسیله سایر عوامل مثل ویروس‌ها یا پلاسمیدها به‌صورت مکرر با انتقال افقی در ژنوم افزایش پیدا کنند.
صحت یا دقت موتاسیون‌های مفید وابسته به IS، بسیاری از موتاسیون‌های مضر یا طبیعی را متعادل می‌کند و یکی از دلایل نگهداری بلندمدت آن‌ها در طی تکامل است. نگهداری طولانی‌مدت IS در سلول‌ها را می‌توان به‌عنوان یک معامله بین موتاسیون‌های بسیار طبیعی یا مضری که به‌آرامی ژنوم باکتری را فلج می‌کنند و موتاسیون‌های مفید نادری که به خاطر حضور ISها به‌صورت مجانی سوار ژنوم می‌شوند، در نظر گرفت. سازماندهی مجدد با واسطه IS نقش عمده‌ای در سازگاری باکتریایی دارند. تثبیت یک موتاسیون مفید، هم اندازه و هم سرعت موتاسیون را افزایش می‌دهد.

ساختار فیزیکی ترانسپوزون‌ها
اگر DNA یک پلاسمید که دارای مقاومت دارویی است (مثلاً ژن‌های مقاومت به کانامایسین را حمل می‌کند)، دناتوره گردد تا یک تک رشته‌ای شکل بگیرد و سپس رناتوره شود، بعضی از رشته‌ها یک شکل غیرمعمول در زیر میکروسکوپ الکترونی ایجاد می‌کنندکه شبیه ساختار آب نبات چوبی می‌باشد (شکل ۱). این ساختار، یک DNA دو رشته‌ای می‌باشد که از طریق قرار گرفتن دو سکانس IR (Inverted repeat) در پلاسمید ایجاد می‌گردد (شکل ۲). مطالعات نشان داده که سکانس‌های IR در اکثر موارد یک جفت هستند. ژن‌های مقاومت دارویی یا سایر توانایی‌های ژنتیکی که به‌وسیله پلاسمید حمل می‌شوند این سکانس‌های IR در سر آب‌نبات چوبی قرار دارند. سکانس‌های IR با ژن‌هایی که همراهشان است مجموعاً یک ترانسپوزون نامیده می‌شوند. ترانسپوزون‌های بلندتر از IS المنت‌ها هستند، زیرا ژن‌هایی که کدکننده پروتئین هم هستند، باقیمانده پلاسمید ژن‌های انتقال‌دهنده مقاومت (Resistance Transfer Function) را حمل می‌کنند که منطقه RTF نامیده می‌شوند (شکل ۳).
s1
شکل ۱: نمایی در سطح نوکلئوتید‌ها برای ساختار آب‌نبات. این ساختار ترانسپوزون نامیده می‌شود (رنگ بنفش). بخش a، ترانسپوزون را قبل از دناتوره شدن نشان می‌دهد.
نکته: به توالی معکوس در قسمت موردنظر توجه داشته باشید. شکل ب شکل آب‌نبات را نشان می‌دهد که به‌آرامی رشته از حالت دناتوره به رناتوره تغییر شکل می‌دهد و ساختار معکوس به یکدیگر می‌چسبند. ژن‌های ترانسپوزون در بین این دو رشته معکوس قرار می‌گیرند
s2
شکل ۲: دو ترانسپوزون را نشان می‌دهد که دارای توالی IR (تکراری معکوس) متفاوت می‌باشند و حامل ژن‌های مقاومت در برابر آنتی‌بیوتیک هستند. (a): Tn9 که منطقه IR کوتاه‌تری دارد چراکه دو عنصر IS در یک‌ جهت هستند. (b): Tn10 یک منطقه بزرگ تکراری معکوس به خاطر دو مؤلفه در جهت مخالف

s3

شکل ۳) یک ترانسپوزون داخل یک پلاسمید. RTF نشان‌دهــــــنده عملکرد resistance-transfer از پلاسمید است. ترانسپوزون شامل عناصر الحاقی و ژن مقاومت به آنتی‌بیوتیک است.

ژن‌های تنظیم‌کننده جابجایی ترانسپوزون‌ها
ژن مربوط به مقاومت نسبت به آنتی‌بیوتیک‌ها در واقع عابری است که توسط DNA ترانسپوزون حمل می‌شود. ترانسپوزون‌ها دارای دو خصوصیت مهم هستند؛ یکی اینکه ۴۰-۲۰ نوکلئوتید موجود در یکی از انتهاهای آزاد به‌طور معکوس در انتهای دیگر قرار دارد (جهت دو توالی انتهایی در خلاف یکدیگر است و به آن‌ها توالی تکراری معکوس گفته می‌شود) و دیگر اینکه بسیاری از ترانسپوزون‌ها (احتمالاً همه آن‌ها) آنزیم ترانسپوزاز را کد می‌نمایند. این آنزیم دخول ترانسپوزون به جایگاه‌های جدید را به عهده دارد.
گفته می‌شود که کم شدن غلظت آنزیم ترانسپوزاز سبب کم شدن انتقال‌ها در سلول می‌گردد. به‌طور متوسط در هر تقسیم سلولی کمتر از یک مولکول ترانسپوزاز به‌وسیله ترانسپوزون Tn10 ساخته می‌شود که این مقدار تنها برای انجام یک ترانسپوزیشن (انتقال) در ده میلیون تولیدمثل کافی است. چنانچه به کمک مهندسی ژنتیک پلاسمیدی ساخته شود که ترانسپوزاز بیشتری تولید کند ملاحظه می‌گردد که عمل ترانسپوزیشن Tn10 هزار بار بیشتر می‌شود. به نظر می‌رسد که سرعت عمل ترانسپوزیشن به‌طور طبیعی از طریق تغییر میزان تولید ترانسپوزاز کنترل می‌گردد.
اخیراً عاملی که بیان و عمل ترانسپوزاز را کنترل می‌کند کشف شده است. پروموتر Tn10 و بعضی دیگر از ترانسپوزون‌ها حاوی GATC است که در کلی‌باسیل‌ها گروه آدنین این توالی توسط آنزیم سلولی دَم متیلاز متیله شده است. ازآنجاکه توالی ۵`GATC3` نیز در جهت ۵` به ۳` همان GATC است هر دو رشته در یک جایگاه متیله می‌شوند و در این حالت پروموتر غیرفعال خواهد بود. هنگامی که DNA همانندسازی می‌کند یک دقیقه یا بیشتر وقت لازم است که آدنین توالی GATC تازه سنتزشده، توسط دَم متیلاز متیله شود. در طی این مدت کوتاه که جایگاه فوق به‌صورت نیمه متیله است پروموتر فعالیت بیشتری نشان می‌دهد و در این حالت بلافاصله بعد از همانندسازی DNA مقدار کمی ترانسپوزاز ساخته می‌شود.
از طرف دیگر جایگاه موجود در DNAی Tn10 که آنزیم ترانسپوزاز بر روی آن عمل می‌کند نیز دارای توالی GATC است، بنابراین در طول مدتی که تنها یک رشته پروموتر متیله شده است، جایگاه فوق سوبسترای بهتری برای ترانسپوزاز می‌باشد. بدین ترتیب ملاحظه می‌شود که Tn10 درست بعد از همانندسازی تمایل به ترانسپوزیشن دارد. هنوز شرایط دیگر سلولی که احتمالاً بر روی متیلاسیون DNA تأثیر می‌گذارد و در اثر آن سرعت ترانسپوزیشن تغییر می‌کند و یا راه‌های دیگر تنظیم ترانسپوزیشن شناخته نشده است. بعضی ترانسپوزون‌ها آنزیم دیگری به نام رزولواز را کد می‌کنند که در مرحله دوم ترانس پوزیشن مؤثر هستند.
در مورد Tn3 آنزیم رزولواز فعالیت ثانویه مستقل دیگری دارد، بدین ترتیب که سبب سد کردن بیان ژن خود و ژن ترانسپوزاز می‌شود و از طریق بیان آن‌ها را در حد طبیعی پایین نگه می‌دارد.

چگونگی حرکت ترانسپوزون‌ها
بررسی توالی DNA ترانسپوزون‌های باکتری‌ها مانند Tn3 و نیز بررسی جایگاه اتصال آن‌ها به DNA هدف تا حدی مکانیسم ترانسپوزیشن را روشن کرده است؛ اولاً حرکت ترانسپوزون‌ها دقیق است و سبب حمل کلیه توالی‌های دخولی جایگاه قدیمی می‌شوند، درحالی‌که بر توالی‌های مجاور اثری نمی‌گذارند. این موضوع تنها زمانی می‌تواند صادق باشد که آنزیمی (به‌احتمال قوی ترانسپوزاز) انتهاهای ترانسپوزون را تشخیص دهد ضمناً انتهاهای فوق باید یکسان باشند. چون آن‌ها جایگاه‌های اتصال مشترک ترانسپوزاز هستند. ثانیاً در جایگاه دخول، ۳ الی ۱۲ باز از DNA هدف (تعداد نوکلئوتیدها بستگی به نوع ترانسپوزون دارد) مضاعف می‌شوند و یک کپی از آن‌ها در هر یک از انتهای ترانسپوزون باقی می‌ماند، بنابراین لازمه مضاعف شدن جایگاه هدف در هنگام ترانسپوزیشن، سنتز DNA است و این اختلاف مهمی با نوترکیبی در جایگاه ویژه که هنگام انتگره شدن فاژ لامبدا بوجود می‌آمد، دارد. ثالثاً با آنکه اکثر ترانسپوزون‌ها عمدتاً به هر ناحیه‌ای از ژنوم جدید می‌روند، ولی حرکت آن‌ها تصادفی نیست بلکه به توالی‌های DNA معینی حمله می‌نمایند. بعضی از این ترانسپوزن‌ها روی توالی‌های متقارن چهار تا شش جفت بازی (درست مشابه آنچه سوبسترای آنزیم‌های محدود کننده است) اثر می‌گذارند.
مطالعات انجام‌شده بر روی آنزیم‌هایی مانند انتگراز فاژ لامبدا و توپوایزومراز که سبب قطع و اتصال مجدد DNA می‌شوند، می‌توانند به‌عنوان مدلی جهت توضیح چگونگی عمل ترانسپوزاز باشند. احتمالاً ابتدا ترانسپوزاز به انتهای ترانسپوزون و نیز توالی DNA هدفی که ترانسپوزون در آن دخول خواهد یافت، متصل می‌شود و سپس برش‌هایی با انتهای چسبنده مشابه آنچه آنزیم‌های محدودکننده ایجاد می‌کردند در DNA هدف و ترانسپوزون ایجاد می‌کند و سپس انتهاهای آزادشده ترانسپوزون به جایگاه هدف متصل می‌شوند و بدین طریق دو مولکول DNA به هم ملحق می‌گردند (ترانسپوزون بین دو انتهای چسبنده DNA اولیه قرار می‌گیرد). به‌هرحال برحسب نوع ترانسپوزون یا شرایط خاص رشد، دو نوع اتصال ممکن است انجام شود؛ در ترانسپوزیشن ساده در انتهاهای ترانسپوزون برش‌های اضافه بوجود می‌آید به‌طوری‌که تنها ترانسپوزون کامل وارد DNA جدید می‌گردد و این امر سبب باقی ماندن شکافی در DNA میزبان قدیمی می‌شود که کشنده بوده و ممکن است سبب مرگ آن گردد. به‌هرحال DNA جدید که حالا واجد ترانسپوزون شده است با قرار گرفتن چند نوکلئوتید (این عمل توسط DNA پلیمراز صورت می‌گیرد) ترمیم ‌شده، تمامیت خود را بدست می‌آورد (شکل ۴).
s4
شکل ۴: دو راه انتقال ترانسپوزون‌ها
بنابراین ترانسپوزیشن ساده عمل حفاظتی است که در آن ترانسپوزون وارد یک جایگاه جدید می‌شود. نوع دوم ترانسپوزیشن همانندسازی‌کننده است که در آن ترانسپوزون مضاعف می‌شود و تنها یک کپی به‌سوی DNA هدف می‌رود و کپی دوم باقی می‌ماند. در این حالت DNA مبدأ (میزبان) تغییر نمی‌کند و برش‌های ثانویه‌ای در آن ایجاد نمی‌شود و با اتصال کل DNA میزبان و هدف به یکدیگر و انجام همانندسازی (جهت پر کردن شکاف) دو مولکول به‌طور کامل به یکدیگر ملحق می‌شوند. در مرحله بعد عمل رزولواز در جایگاهی معین، برش ایجاد می‌گردد. بدین ترتیب دو قطعه DNA مبدأ و هدف از یکدیگر جدا می‌شوند و با تکمیل عمل همانندسازی شکاف‌ها یک بار دیگر پر می‌گردند و در این حالت DNA مبدأ از بین نمی‌رود و یک نسخه کامل از آن به DNA هدف می‌رسد. درحالی‌که چنانچه هر یک از این مراحل تغییر کند انواع مختلف فعالیت‌های ترانسپوزون‌ها ظاهر می‌شوند، مثلاً اگر آنزیم رزولواز وجود نداشته باشد DNA مرکبی که شامل DNA مبدأ و مقصد است بوجود می‌آید (مانند پلاسمید R1).
ضمناً امکان دارد در محل ایجاد برش، سکانس مولکول‌های DNA مرکب با یکدیگر هم‌خوانی نداشته، در این صورت دو مولکول DNA بازآرایی شده مستقل پدید خواهد آمد. با بررسی دقیق‌تر چنانچه ترانسپوزیشن در یک مولکول واحد DNA رخ دهد (DNAهای مبدأ و مقصد یکی باشند) حذف یا معکوس شدن DNA صورت می‌گیرد و سبب تغییر شدید ساختمان کروموزوم می‌شود.
با توجه به آنکه عمل ترانسپوزیشن باکتریوفاژ MU که هم یک فاژ است و هم یک ترانسپوزون، در عصاره سلولی هم انجام می‌گردد، می‌توان انتظار داشت که به کمک آن بتوان دقیقاً چگونگی حرکت ترانسپوزون‌ها را درک نمود.
تجارب اخیر نشان می‌دهند که حرکت بعضی از ترانسپوزون‌های جانداران عالی‌تر خصوصاً آن‌هایی که مربوط به رتروویروس‌ها هستند با ترانسپوزون‌های باکتری‌هایی مانند Tn3 کاملاً متفاوت است؛ مثلاً در مخمر، ابتدا از روی عناصر Ty (TY element) رونویسی انجام می‌گردد و سپس به کمک آنزیم رونویسی‌کننده معکوس از روی آن DNA ساخته می‌شود و در اثر نوترکیبی، این قطعه DNA، از طریق مکانیسمی که هنوز به‌خوبی شناخته نشده است در کروموزوم میزبان جای می‌گیرد.
نقش ترانسپوزون‌ها در پروکاریوت‌ها
(قسمت سوم)

وهاب پیرانفر (کارشناس ارشد)، محمد عرفانی (کارشناس ارشد)، دکتر رضا میرنژاد (دانشیار دانشگاه)

در بخش‌های گذشته در خصوص ساختار فیزیکی ترانسپوزون‌ها و نحوه جابجائی مطالبی ارائه گردید، در این قسمت پایانی انواع ترانسپوزون‌ها و نتایج انتقال آنها موردبحث قرار می‌گیرد.

انواع ترانسپوزون‌ها:
عناصر قابل‌ انتقال در باکتری‌ها عمدتاً به سه دسته تقسیم می‌شوند:
۱) توالی‌های الحاقی یا ( IS)
۲) ترانسپوزون‌های مرکب
۳) ترانسپوزون‌های غیرمرکب

۱– توالی‌های افزونی یا IS:
ساده‌ترین عناصر قابل انتقال هستند و یک عنصر IS توالی کوچکی از DNA است با طولی حدود ۷۵۰ تا ۲۰۰۰ جفت باز که تنها ژن‌های مربوط به آنزیم‌های موردنیاز برای جابجایی خود را دارند و در دو انتهای خود دارای توالی‌های نوکلئوتیدی یکسان یا بسیار مشابه در جهت معکوس هستند که به تکرارهای وارونه معروفند (شکل ۱).
تکرارهای وارونه معمولاً در حدود ۱۵ تا ۲۰ جفت باز دارند و در میان عناصر IS متغیر هستند؛ به این معنی که خصوصیات تکرارهای وارونه برای هر نوع IS مختص به خود آن است. بین تکرارهای وارونه ژنی است که آنزیمی به نام ترانسپوزاز را کد می‌کند، این آنزیم‌ برای جابجایی و سازمان‌دهی دقیق انتهای IS موردنیاز است. هر نوع عنصر با دادن پیشوند IS و سپس آوردن یک عدد، نام‌گذاری می‌شود. به نظر می‌رسد که عناصر IS انگل‌های مولکولی سلول‌های باکتریایی باشند.
جابجایی (ترانسپوزیشن) عنصر IS رخدادی بسیار نادر است که در یک سلول از ۱۰۷ – ۱۰۵ سلول هر نسل، با توجه به نوع IS به وقوع می‌پیوندد. سرعت‌های بالای جابجایی احتمالاً منجر به سرعت جهش بسیار بالایی در سلول میزبان می‌شود. در سرعت بسیار پایین جابجایی، بیشتر سلول‌های میزبان زنده می‌مانند و IS را تکثیر می‌دهند. با وجود این که بسیاری از جابجایی‌ها، ژن‌های ضروری را غیرفعال کرده و سلول میزبان و عناصر IS آن را می‌کشند، اما سلول‌های دیگر میزبان زنده می‌مانند. چون عناصر IS تقریباً به‌طور تصادفی وارد جایگاه‌های ژنوم می‌شوند و برخی از آن‌ها در نواحی غیرضروری ژنوم قرار می‌گیرند، درنتیجه تعداد عناصر IS در سلول افزایش می‌یابد.
عناصر IS قابلیت جایگیری در پلاسمیدها و فاژها را دارند و می‌توانند همراه آن‌ها به سلول‌های دیگر بروند. هنگام چنین رویدادی عناصر IS می‌توانند به کروموزوم‌های سلول‌های غیرآلوده‌کننده وارد شوند. ژن‌های آن‌ها به‌طور مستقیم با تسریع و تنظیم جابجایی آن‌ها مرتبط است. وقتی قطعات ژنومی IS در وسط یک ژن ظاهر شوند، سکانس کدکننده را مختل و بیان ژن را غیرفعال می‌نمایند.
بسته به اندازه و در برخی موارد حضور سیگنال‌های رونویسی و ترجمه، توالی‌های IS می‌توانند بیان ژن‌های دیگر را در همان اپرون مسدود کنند، خصوصاً اگر آن ژن‌ها در پایین‌دست در اپرون قرار داشته باشند.

۲– ترانسپوزون‌های مرکب (Composite Transposon):
علاوه بر عناصر IS، باکتری‌ها دارای عناصر ژنتیکی متحرک پیچیده‌تری هستند که از عناصر IS بزرگ‌تر بوده و علاوه بر ژن‌های لازم برای جابجایی، حاوی یک یا چند ژن رمزکننده پروتئین (ژن مقاومت به آنتی‌بیوتیک، تولید توکسین و سایر فاکتورهای ویرولانس) هستند. این عناصر که ترانسپوزون‌های باکتریایی نام دارند دارای ژن مقاومت نسبت به آنتی‌بیوتیک هستند که توسط دو عنصر IS شبیه به هم احاطه شده‌اند (شکل ۱). ورود ترانسپوزون به پلاسمید یا DNA باکتریایی به دلیل ایجاد مقاومت نسبت به آنتی‌بیوتیک به‌راحتی قابل‌تشخیص است. از این دسته می‌توان به Tn5 (مقاومت به کانامایسین) و Th10 (مقاومت به Tet) اشاره کرد.
ترانسپوزون‌ها کارکردهای گوناگونی در ژنوم باکتریایی دارند؛ آن‌ها می‌توانند به سلول‌ها، پلاسمیدها و ژنوم‌های ویروسی وارد شوند. در سلول‌ها قادرند به‌عنوان موتاژنی که تنها یک ژن سلولی را متأثر می‌سازد، عمل کنند.
با وجود نادر بودن پدیده ترانسپوزیشن به دلیل اکتساب خاصیت مقاومت به آنتی‌بیوتیک، سلول‌های جهش‌یافته به‌راحتی تشخیص داده می‌شوند. اعتقاد بر این است که ترانسپوزون‌های مرکب زمانی شکل می‌گیرند که دو عنصر IS با یک قطعه مرکزی شامل یک یا چند ژن با هم همراه می‌شوند. اگر یک عنصر IS همانندسازی کند و تنها اندازه یک یا دو ژن پایین‌دست محل قبلی روی کروموزوم منتقل شود، این همراهی می‌تواند شکل گیرد.
نام ترانسپوزون‌های مرکب با پیشوند Tn آغاز می‌شود. ترانسپوزیشن هم ممکن است در انتهای داخلی و هم انتهای خارجی رخ دهد. ترانسپوزیشن انتهای خارجی از دو سکانس  Inverted Repeat(IR) که از هم دورند استفاده می‌کند که در این صورت DNA بین دو IS نیز جابجا می‌شود.
ترانسپوزیشن انتهای داخلی از دو سکانس IS نزدیک به هم اما عناصر IS متفاوت استفاده می‌کند که می‌تواند منجر به تشکیل یک ترانسپوزون مرکب جدید گردد.

نتایج جست‌وخیز سکانس‌های مرکب:
فاکتورهای R (پلاسمیدهای شامل ژن‌های مقاومت بسیار) توسط قطعات IS چیده شده‌اند. ترانسپوزیشن انتهای داخلی (Inside – end) می‌تواند منجر به حذف‌شدگی یا وارونه‌شدگی DNA بین جایگاه اولیه ترانسپوزون و جایگاه نهایی (مقصد) آن شوند. بسته به این‌که چطور به DNA هدف می‌چسبند، حذف‌شدگی یا وارونه‌شدگی رخ می‌دهد. متقاطع شدن انتهای داخلی منجر به وارونگی می‌شود. اگر تقاطع ندهند حاصل آن حذف شدن است.

۳– ترانسپوزون‌های غیرمرکب:
این نوع ترانسپوزون‌ها توالی الحاقی را در انتهای خود ندارند، ولی همانند قطعات IS دارای سکانس‌های IR در هر انتهای خود هستند، هم‌چنین مانند ترانسپوزون‌های مرکب دارای ژن‌های مارکر قابل تشخیص می‌باشند. از این دسته می‌توان به TnA اشاره کرد (شکل ۱).

مکانیسم ترانسپوزیشن
چندین مکانیسم مختلف ترانسپوزیشن به‌وسیله عوامل یوکاریوتی و پروکاریوتی قابل‌انتقال به کار می‌رود. در اشریشیاکلی ما می‌توانیم مدل‌های ترانسپوزیشن Replicative و حفاظت‌شده (غیرهمانندساز) یا Conservative transposition را تشخیص دهیم.
در مدل Replicative کپی چند تا از عوامل قابل‌انتقال، در جریان ترانسپوزیشن ایجاد می‌شود. نتیجه ترانسپوزیشن ظاهر شدن یک کپی در مکان جدید و باقی ماندن یک کپی در مکان قدیمی است. در مسیر حفاظت‌شده هیچ همانندسازی رخ نمی‌دهد، اما به‌جای آن عنصر از کروموزوم یا پلاسمید خارج شده و وارد مکان جدیدی می‌شود.

مدل Replicative
ترانسپوزازهای کدشونده توسط ترانسپوزون شکست‌هایی را در انتهای ترانسپوزون ایجاد می‌کنند. شکست‌های دورشته‌ای در DNA هدف ایجاد می‌شوند. انتهای ‘۳ ترانسپوزون به انتهای ‘۵، DNA هدف بسته می‌شود، سپس همانندسازی در هر دو جهت روی ترانسپوزون‌ها با استفاده از انتهای ‘۳ DNA هدف به‌عنوان پرایمر به پیش می‌رود. بعد از همانندسازی ترانسپوزون، انتهای ‘۳ جدید به‌وسیله بسته شدن به انتهای ‘۵ آزاد باقیمانده DNA دهنده به هم متصل می‌شوند. ترکیب دایره‌ای حاصل ترکیب دو قطعه دایره‌ای است که یک Cointegrate نامیده می‌شود و نشان می‌دهد که DNA دهنده و هدف به‌وسیله دو کپی از ترانسپوزون جدا شده‌اند (شکل ۲). Cointegrate به‌وسیله نوترکیبی بین Resolution site روی دو کپی ترانسپوزون از یکدیگر جدا می‌شوند. این جدا شدن به‌وسیله یک رفع‌کننده که به‌وسیله ترانسپوزون‌ها کد می‌شود، کاتالیز می‌گردد. این نـاحیـه تفکیک‌پذیری داخلی (IRS) Internal resolution site نامیده می‌شود.

نقش ترانسپوزون‌ها در تکامل پلاسمید‌ها:
پلاسمیدها می‌توانند حاوی محل‌های هدف برای ترانسپوزون‌های متعدد و متفاوتی باشند، بنابراین ترانسپوزون‌ها غالباً بین پلاسمیدها حرکت می‌کنند. حقیقت نگران‌کننده این است که بسیاری از ترانسپوزون‌ها دارای ژن‌های مقاومت آنتی‌بیوتیکی هستند؛ ازاین‌رو هم‌زمان با تغییر مکان آن‌ها از یک پلاسمید به دیگری، ژن‌های مقاومت نیز به پلاسمید هدف وارد می‌شود و یک پلاسمید مقاومتی را به وجود می‌آورند.
پلاسمیدهای مقاوم به چند دارو می‌توانند از تجمع ترانسپوزون‌ها در یک پلاسمید به وجود آیند. بسیاری از پلاسمیدهای R در طول هم‌یوغی قادر به انتقال از یک سلول به سلول‌های دیگر هستند که ژن‌های مقاومت را در میان جمعیت منتشر می‌کنند. درنهایت، از آنجا که ترانسپوزون‌ها نیز بین پلاسمیدها و کروموزوم‌ها جابجا می‌شوند، ژن‌های مقاومت به دارو می‌توانند بین این دو مولکول مبادله شوند و سبب انتشار بیشتر مقاومت به آنتی‌بیوتیک گردند.
برخی از ترانسپوزون‌ها ژن‌های انتقال را حمل می‌کنند و می‌توانند از طریق فرآیند هم‌یوغی بین باکتری‌ها جابجا شوند که ترانسپوزون های هم‌یوغی نام دارند مثل Tn916 در انتروکوکوس فکالیس. اگرچه Tn916 نمی‌تواند به‌طور مستقل همانندسازی کند، ولی می‌تواند خود را از انتروکوکوس فکالیس به سلول‌های پذیرنده متعددی انتقال داده و به درون کروموزوم‌های آن‌ها وارد شود. ازآنجاکه این ترانسپوزون ژن مقاومت به تتراسایکلین را حمل می‌کند، هم‌یوغی مقاومت دارویی را نیز منتشر می‌نماید.

وهاب پیرانفر (کارشناس ارشد)، محمد عرفانی (کارشناس ارشد)، دکتر رضا میرنژاد (دانشیار دانشگاه)

ممکن است شما دوست داشته باشید بیشتر از نویسنده